维普资讯 http://www.cqvip.com 塑 料 齿 轮 陈思信 译 工程塑料齿轮有许多优点是金属齿轮所 没有的，它广泛应用于医疗器械、半导体仪 器、工业机械、手动工具等领域。可制造的齿 轮从差动齿轮到不对称齿轮，各种齿轮都可 以制造，没有限制。使用工程塑料制造内齿 轮不再比制造外齿轮难了。而内齿轮能承担 更大的负荷。即使是外齿轮，也很容易制成 不对称的加强齿，强度比一般齿提高２０％～ ３０％（图Ｉ）。 图Ｉ不对称加强齿齿轮 塑料齿轮除了品种繁多以外，另一个优 点是物理性质好。它的重量轻，弹性大，易润 滑，而且化学性质稳定，不腐蚀。塑料的弹性 甚至可使齿轮成为减振零件。塑料齿轮还可 做成各种颜色。如果机壳用透明材料制成， 那里面的齿轮一定看起来非常漂亮。更重要 的是，塑料齿轮的成本比金属切削齿轮的成 本低得多。 工程塑料还是比较新的一种材料，科学家 们正在开发新原料、新品种、新的添加剂和填充 剂，提高塑料的坚实性。有些公司把各种树脂 混合在一起，专门生产齿轮用工程塑料。 ３４ 原料和制造方法 由于塑料的种类繁多，制造方法也多种 多样，人们往往不知道怎样设计和制造塑料 齿轮。教科书中的齿轮设计和制造指的是金 属齿轮，不适用于塑料齿轮。现在有五花八 门的聚合物和融合物，各有其独特的性质和 收缩率。如何选择合适的塑料制造齿轮往往 令人无所适从，人们只好查看塑料的规格表， 根据其性质作出评价和选择。然而，塑料制 成齿轮后，其性质发生了复杂的变化，因而选 用齿轮塑料要作仔细的考虑。 另一个需要考虑的问题是制造方法，制 造塑料齿轮的方法很多，但文献上却少有记 录。事实上，塑料的加工和收缩是难以捉摸 的。工装夹具和检查设备也很缺乏。 制造塑料齿轮需要先制造模具。制造模 具时需要估算塑料齿轮几何尺寸的收缩，否 则齿轮的尺寸达不到要求。塑料的收缩是不 均匀的，也是非线性的。从模具中取出的齿 轮在冷却之后可能收缩成与模具内腔完全不 同的形状，而不是象照像那样按比例缩小。 塑料齿轮的收缩可分为两方面：宏观收 缩和局部收缩。普通对称塑料齿轮具有一个 近似的收缩值，适用于外径、齿根直径、基本 圆和节距圆。而局部收缩位于齿轮的齿上， 其收缩率完全不同，齿的厚度比其它部位收 缩得少。有些不填充的结晶塑料，如乙缩醛 和尼龙，做齿轮时，尺寸不但不收缩，而且还 有所膨胀。这种现象的原因很复杂。 维普资讯 http://www.cqvip.com 还要注意生产成本。虽然塑料原料的成 本很低，但模具的成本可能会很高。如果需 求量很大，则相对降低了模具的成本。 与金属齿轮的差别 选用塑料齿轮还要考虑其它问题。金属 齿轮是用金属切削加工的，金属切削加工的 图２交叉皮带传动装置 设计塑料齿轮时，根据要设计的齿轮组 减速比，可以确定大小轮的相对尺寸。大小 特点是同心度好，精密度高，尺寸稳定性好。 塑料齿轮是用模具制造的，同心度差些，会有 收缩，直径公差也大些，强度弱些。但塑料齿 轮的齿的精度要高于金属齿轮。塑料齿轮重 轮的绝对尺寸可以根据需要而定。随后确定 基本齿厚，并画出齿的渐开线形状。在确定 量轻，噪音小，成本低，可内含润滑油。 由于有以上差别，所以传统的齿轮设计和 生产方法不适用于塑料齿轮，传统的齿轮公差 和分级也不适用于塑料齿轮。甚至塑料原料的 供应者所提供的原料性质也不能反映齿轮的性 质。因为原料性质是原料的长期性质，而齿轮 在高速运转啮合时会提前出现疲劳。 塑料齿轮的设计 设计金属齿轮时要考虑到齿轮的切削加 工过程。齿轮的节距圆确定了齿轮与刀具的 加工距离，齿顶加工需要附加的刀具，齿轮的 齿深涉及到刀具进入齿轮坯料的深度。而设 计塑料齿轮时则不必考虑这些问题。现在几 乎所有的塑料直齿圆柱齿轮都用空腔模具制 造，模具采用电火花加工，模具图纸由计算机 辅助设计。只要计算机能画出的几何形状， 都能够加工成模具空腔。 塑料齿轮不需要切削加工，就可以设计 成完美的几何形状，即按照啮合状况设计齿 轮。图２为交叉皮带传动装置，相当于渐开 线齿轮传动装置。皮带离开驱动轮的基本 圆，穿过节距点，绕到被驱动轮的基本圆上。 齿轮的一些术语与交叉皮带传动装置的术语 一样，如：基本圆、节距圆、压力角、基本切线 距离等。 了两齿轮间的距离后，也就确定了工作压力 角和齿轮的外径。一个齿轮设计好之后，另 一个齿轮就很容易设计了。 图３为齿轮示意图，该齿轮环绕其啮合 齿轮旋转，形成啮合齿轮的外形。该齿轮的 齿在一定高度上被切成尖端，第二个齿轮沿 着第一个齿轮的节距圆旋转，画出该齿轮的 齿根轮廓线。 图３齿轮啮合示意图 为了减少塑料齿轮的偏心度和模具的公 差，齿厚可稍加减薄，或使啮合齿轮之间留有 必要的间隙。外径设计成负公差，以消除可 能的抵触。 这种自我画线的设计方法可以最大限度 地发挥齿轮的作用，配合紧密。齿的高度可 以加长，以增加啮合的工作区域。齿的厚度 可以增加，以提高强度。还必须考虑到传统 齿轮设计时所注意的重叠系数等事项。 这种设计方法的另一优点是计算机辅助设 计的几何尺寸可以与模具制造的塑料齿轮进行 比较，采用光学方法或采用扫描坐标测量仪。 ＜工程设计与研究杂志｝２００２年第１／２期 ３５
